yy.vip易游-院士领衔！聚合物涂层登上Nature大子刊！

　　YYVIP易游·(中国有限公司)官方网站-随着全球气候问题日益严峻，如何将温室气体二氧化碳（CO₂）转化为有价值的工业原料已成为科研领域的热点。电化学CO₂还原反应（CO₂RR）可利用可再生电力将CO₂转化为一氧化碳（CO）、甲烷、乙烯等化工产品，具有巨大的应用潜力。然而，目前大多数研究在中性或碱性介质中进行以抑制竞争性的析氢反应（HER），但这带来了两个关键工程难题：一是高浓度金属阳离子（如钾离子、钠离子）会导致盐析出堵塞设备；二是阴极碱性环境会促使CO₂转化为碳酸根离子并向阳极迁移，造成碳流失。这两个问题严重制约了CO₂电解技术的规模化应用。

　　针对上述挑战，中国科学院大连化学物理研究所包信和院士、汪国雄教授（现已加入复旦大学）、魏鹏飞副研究员‌团队，开发了一种新型碱性聚合物层涂层质子交换膜（ACPEM）电解槽。研究团队通过在质子交换膜上涂覆碱性聚合物层，并设计不含碱金属阳离子的纯水进料系统，成功抑制了CO₂交叉和盐析出问题。实验数据显示，该电解槽实现了62.4%的单程CO₂转化率、39.0%的能量效率以及约80%的CO₂利用率，并在200 mA cm⁻²的电流密度下稳定运行260小时。此外，由6个100 cm²膜电极组件组成的放大电解槽堆栈在70 A电流下实现了2054.5 ml min⁻¹的CO产率。相关论文以“Co-electrolysis of CO2 and H2O in an alkaline polymer layer-coated proton-exchange-membrane electrolyzer”为题，发表在Nature Chemical Engineering上。

　　研究团队首先通过有限元模拟对不同电解槽构型进行了对比分析。图1a-c示意性地展示了三种电解槽结构：传统阴离子交换膜（AEM）电解槽、双极膜（BPM）电解槽以及本研究提出的ACPEM电解槽。模拟结果显示，在AEM构型中，阴极产生的碳酸盐物种会在电场作用下向阳极迁移，造成严重的碳流失；BPM构型虽能通过质子交换膜层抑制碳酸盐迁移，但在AEM-PEM界面处会产生CO₂过度积累，导致气泡形成和界面分层，从而影响长期稳定性。相比之下，ACPEM构型通过将碱性聚合物层直接键合在PEM上形成统一界面，结合无流场阴极板设计，有效提高了局部CO₂溶解度，防止了气态CO₂的析出。图1d展示了BPM和ACPEM电解槽中碳物种通量随距离的变化，表明ACPEM能有效减少碳流失。图1e和1f进一步显示，在200 mA cm⁻²电流密度下，BPM界面处的CO₂生成速率高达22.1 M s⁻¹，界面CO₂浓度达72 mM，而ACPEM通过结构优化显著缓解了这一问题。

　　图1 ACPEM电解器的设计。 a-c，AEM、BPM和ACPEM电解器的示意图。d，PNP模型预测的BPM和ACPEM电解器中碳物种通量随距离的变化。e,f，预测的CO₂生成速率(e)和CO₂浓度(f)随距离和电流密度的变化。

　　研究团队合成了四种具有不同离子交换容量（IEC）的碱性离聚物，用于修饰阴极银纳米颗粒催化剂。图2a展示了催化剂双电层模型的示意图。实验结果表明，随着离聚物IEC的增加，CO部分电流密度显著提升。具体而言，当使用IEC最高的PBPQ1离聚物（2.94 mmol g⁻¹）修饰Ag催化剂时，CO部分电流密度达到412.5 mA cm⁻²，约为低IEC离聚物PAP-TP-85的两倍。图2b直观地展示了这一趋势，证明了高密度季铵基团对CO₂RR的促进作用。进一步地，研究团队利用弛豫时间分布（DRT）分析揭示了其中的机理。图2c比较了有无碱性离聚物修饰时的DRT谱图：未修饰时，在19 kHz处出现一个显著的高阻抗峰（P4），对应纯水的极低离子电导率；而经PBPQ1修饰后，该峰位移至1 kHz且面积显著减小，表明离聚物在阴极内形成了离子传输通道。图2d比较了QAPPT和PBPQ1两种离聚物的DRT谱图，结果显示PBPQ1的P4峰面积明显小于QAPPT，说明更高浓度的季铵基团能有效增强离子传输效率。

　　图2 离聚物在ACPEM电解器中的作用。 a，催化剂层中碱性离聚物修饰示意图。b，不同IEC离聚物修饰Ag的CO偏电流密度。c，有无碱性离聚物修饰时的DRT谱图对比。d，QAPPT与PBPQ1修饰阴极的DRT谱图对比。e,f，不同离聚物修饰Ag的CO法拉第效率与H₂法拉第效率随电流密度的变化。

　　为了进一步优化电解性能，研究团队考察了温度和压力的影响。图3a和3b展示了在30 ml min⁻¹的CO₂流速下，升高温度和压力对CO法拉第效率（FE）和电池电压的改善效果。与室温常压条件相比，在40°C和0.4 MPa条件下，700 mA cm⁻²电流密度下的CO FE从61.9%提高到74.5%，同时电池电压从3.91 V降至3.49 V。在1 A cm⁻²的高电流密度下，CO FE达到56.9%，对应的CO部分电流密度接近600 mA cm⁻²。在此基础上，研究团队进一步将CO₂流速提高至60 ml min⁻¹。如图3c所示，在40°C和0.4 MPa条件下，200至700 mA cm⁻²的电流密度范围内CO FE均保持在98%以上，在1 A cm⁻²时CO FE仍可达85.6%，对应的CO部分电流密度高达856.5 mA cm⁻²。图3d展示了该电解槽在200 mA cm⁻²、40°C和0.4 MPa条件下的长期稳定性测试结果：CO FE始终保持在80%以上，电池电压仅从2.8 V小幅上升至3.1 V，电解槽稳定运行260小时，展现出优异的操作稳定性。

　　为推动该技术走向实际应用，研究团队逐步将ACPEM电解槽从4 cm²放大至25 cm²再到100 cm²，并最终组装了包含6个100 cm²膜电极组件的电解槽堆栈。图4a展示了该堆栈的结构示意图。图4b的测试结果显示，在50 A电流下，堆栈的CO FE达到90.8%；在70 A电流下，CO产率达到2054.5 ml min⁻¹的最大值。图4c展示了堆栈在10 A（100 mA cm⁻²）条件下的100小时稳定性测试：电池电压稳定维持在约19 V，CO FE始终保持在80%水平。此外，在20 A（200 mA cm⁻²）条件下连续运行25小时也未出现明显性能衰减，充分证明了该技术方案的规模化可行性。

　　本研究通过构建ACPEM电解槽架构，成功解决了CO₂电解中长期存在的盐析出和碳流失两大工程难题。有限元模拟揭示了其核心机理：PEM中的质子传导可中和CO₃²⁻或HCO₃⁻物种，从而抑制碳流失；而多孔QAPPT碱性聚合物层在阴极表面创造了碱性局部环境并促进气体高效释放，有效缓解了界面破坏和分层问题。研究团队开发的含季铵基团碱性离聚物PBPQ1，在催化剂表面建立了强碱性微环境，增强了双电层内的局部电场并降低了H⁺浓度，实现了在500 mA cm⁻²电流密度下接近100%的CO FE，在1 A cm⁻²下仍保持85.6%的高效率。更为重要的是，6×100 cm²的放大堆栈验证了该技术的规模化可行性，在70 A电流下达到2054.5 ml min⁻¹的CO产率，并实现了100小时的连续稳定运行。这一进展不仅为纯水操作条件下的CO₂电解提供了根本性解决方案，也为该技术的工业化应用铺平了道路。

　　特别声明：以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布，本平台仅提供信息存储服务。

　　三甲医院科主任叶某萍被举报“巨额财产来源不明”，1年前停职调查，举报人：内部通知显示其被查实“违纪违法”

　　朝鲜发声痛批日本，要求日本向中国道歉：针对中国驻日使馆的连环恐怖威胁，是对国际法的粗暴违反与公然挑衅

　　申花2-0海牛 中超4连胜+7轮不败升第5 特谢拉、盖伊6分钟连轰2球

　　民办普高集中补录分数门槛降低！成都公布2026年民办中小学招生优化政策

　　2026款戴尔外星人Area-51台式机新增AMD 9950X3D2处理器可选